想象一下暴风云中的一个尘埃粒子，与它所居住的分子的大小相比，你可以了解到中子的微不足道。
但就像尘埃微粒可能会影响云的轨迹一样，中子可以影响其分子的能量，尽管它的大小不到其百万分之一。现在麻省理工学院和其他地方的物理学家已经成功地测量了中子对放射性分子的微小影响。
该团队开发了一种新技术来生产和研究具有可以精确控制的中子数的短寿命放射性分子。他们手工挑选了同一分子的几种同位素，每个同位素比另一个多一个中子。当他们测量每个分子的能量时，由于单个中子的影响，他们能够检测到核大小的微小的、几乎察觉不到的变化。
他们能够看到如此小的核效应这一事实表明，科学家们现在有机会寻找这些放射性分子中更微妙的效应，例如由暗物质引起的，或由与某些相关的新的对称性破坏源的影响引起的。目前宇宙的奥秘。
“如果物理定律像我们认为的那样对称，那么大爆炸应该产生相同数量的物质和反物质。事实上，我们所看到的大部分都是物质，而每 10 亿反物质中只有大约一部分，这意味着违反了物理学最基本的对称性，我们无法用我们所知道的一切来解释，”麻省理工学院物理学助理教授 Ronald Fernando Garcia Ruiz 说。
“现在我们有机会使用这些重放射性分子来测量这些对称性破坏，这些分子对核现象非常敏感，这是我们在自然界中的其他分子中看不到的，”他说。“这可以为宇宙是如何创造的主要谜团之一提供答案。”
Ruiz 和他的同事今天(2021 年 7 月 7 日)在《物理评论快报》上发表了他们的结果。
特殊的不对称
自然界中的大多数原子都有一个对称的球形原子核，中子和质子均匀分布在整个原子核中。但在镭等某些放射性元素中，原子核呈奇怪的梨形，其中的中子和质子分布不均。物理学家假设这种形状扭曲会加剧对称性的破坏，而对称性正是宇宙中物质起源的根源。
“放射性原子核可以让我们很容易地看到这些对称性破坏效应，”该研究的主要作者、麻省理工学院物理系研究生 Silviu-Marian Udrescu 说。“缺点是，它们非常不稳定，存活时间很短，所以我们需要灵敏的方法来快速生产和检测它们。”
该团队并没有试图自行确定放射性原子核，而是将它们放置在一个分子中，以进一步放大对对称性破坏的敏感性。放射性分子由至少一个与一个或多个其他原子结合的放射性原子组成。每个原子都被一团电子包围，这些电子云一起在分子中产生极高的电场，物理学家认为这种电场可以放大微妙的核效应，例如对称破坏效应。
然而，除了某些天体物理过程，例如中子星合并和恒星爆炸，感兴趣的放射性分子在自然界中不存在，因此必须人工创造。Garcia Ruiz 和他的同事一直在改进技术，以在实验室中制造放射性分子并精确研究它们的特性。去年，他们报道了一种生产单氟化镭分子的方法，或称 RaF，一种包含一个不稳定镭原子和一个氟原子的放射性分子。
在他们的新研究中，该团队使用类似的技术来生产 RaF 同位素，或具有不同数量中子的放射性分子版本。正如他们在之前的实验中所做的那样，研究人员利用位于瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心的在线同位素质量分离器或 ISOLDE 设施来生产少量 RaF 同位素。
该设施装有一束低能质子束，该团队将其指向一个目标——一个半美元大小的碳化铀圆盘，他们还在其上注入了氟化碳气体。随后发生的化学反应产生了一个包括 RaF 在内的分子动物园，该团队使用由激光、电磁场和离子阱组成的精确系统将其分离。
研究人员测量了每个分子的质量，以估计分子镭核中的中子数量。然后他们根据中子数按同位素对分子进行分类。
最后，他们挑选出由五种不同的 RaF 同位素组成的束，每一种都比下一种携带更多的中子。使用单独的激光系统，该团队测量了每个分子的量子能级。
“想象一个分子像弹簧上的两个球一样振动，具有一定的能量，”麻省理工学院核科学实验室的研究生 Udrescu 解释说。“如果你改变其中一个球中的中子数量，能量就会改变。但是一个中子比一个分子小 1000 万倍，以我们目前的精度，我们没想到改变一个会产生能量差异，但确实如此。我们能够清楚地看到这种效果。”
Udrescu 将测量的灵敏度与能够看到位于太阳表面的珠穆朗玛峰如何改变太阳半径的能力进行了比较。相比之下，看到对称性破坏的某些影响就像看到一根头发的宽度如何改变太阳的半径。
结果表明，诸如 RaF 之类的放射性分子对核效应非常敏感，它们的敏感性可能会揭示更微妙的、前所未见的效应，例如微小的违反对称性的核特性，这可能有助于解释宇宙的物质 - 反物质不对称。
“这些非常重的放射性分子很特殊，对我们在自然界中的其他分子中看不到的核现象具有敏感性，”Udrescu 说。“这表明，当我们开始寻找违反对称性的效应时，我们很有可能在这些分子中看到它们。”
参考：2021 年 7 月 7 日，物理评论快报。
这项研究得到了美国能源部核物理办公室的部分支持;MISTI 全球种子基金;欧洲研究理事会;比利时 FWO Vlaanderen 和 BriX IAP 研究计划;德国研究基金会;英国科学技术设施委员会和欧内斯特卢瑟福奖学金。
